隧洞开挖后渗流量影响因素分析

耿 萍，于本昌，何 悦，晏启祥

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

随着我国经济建设的不断发展，各种隧洞的开挖规模和开挖难度日益加大，出现了许多穿越高富水、岩性破碎、地质构造复杂等地带的隧洞。在此类隧洞开挖过程中，围岩中裂隙水原有的补给和循环平衡遭到破坏，此时隧洞便成了裂隙水渗流的新通道。如果渗流量较大，渗流就会转化为涌水，会严重影响隧洞的开挖和支护，因此，探讨隧洞开挖后渗流量的影响因素，对预防和处理类似工程问题具有一定的现实意义。

文献［1-2］论述了裂隙岩体渗流应力耦合的基本原理;文献［3-4］分析了渗流场与应力场的相互影响程度;文献［5-7］对裂隙岩体渗流模型进行了探讨。然而，上述文献研究的多为渗流本身，并没有分析具体的工程实例。

本文以木里水电工程输水隧洞为工程背景，用离散单元模拟围岩及节理，采用UDEC软件进行数值分析，讨论了节理倾角、节理间距和洞室埋深对渗流的影响，从而为类似工程的选址、施工和支护设计提供参考。

1 UDEC离散单元法

数值模拟当中常用的计算方法有有限元法、边界元法、有限差分法和离散单元法，其中离散单元法是基于非连续介质的数值计算方法。在离散单元法中，将所研究的岩体假定为离散块体的集合体，把节理和结构面假定为这些离散块体之间的接触面。块体之间的相互作用力根据力和位移的关系求出，而单个块体的运动则根据块体所受的不平衡力和不平衡力矩的大小，按牛顿运动定律确定。

1.1 物理方程—力和位移的关系

离散单元之间的作用力如图1所示。

假定块体之间的法向力Fn正比于他们之间的法向“叠合”un，即

图1 离散单元之间的作用力

式中，kn为法向刚度系数。

这里所谓的“叠合”是计算时假定的一个量，将它乘上法向刚度系数作为法向力的一个度量。由于块体所受的剪切力与块体运动和加载的历史或途径有关，所以对于剪切力要用增量来表示。设两块体之间的相对位移为Δu，则

式中，ks为节理的剪切刚度系数。

1.2 运动方程

根据上述原理，可以确定作用在某一特定岩块上的一组力，由这组力计算出其合力和合力矩，并根据牛顿第二定律确定块体质心的加速度，进而可以确定在时步Δt内的速度、加速度、位移和转动量。例如，x方向的加速度 u″x、速度 u'x、位移 ux由下式计算

式中，Fx为x方向的合力，m为岩块的质量，t0为起始时间，Δt为时步，t1=t0+Δt。块体沿y方向的运动及其转动满足类似的计算公式。

综上所述，在每一个时步中计算出块体的新位置，而后得到接触力。利用合力、合力矩求解块体加速度，再对时间积分求得块体速度与位移，重复上述计算过程直至系统达到稳定状态或者发生失效。

2 模型建立及参数选取

本文工程背景为木里水电工程输水隧洞，该隧洞全长24.7 km，圆形断面，半径3.7 m。洞体深埋于山体基岩之内，隧洞围岩共有四类，以Ⅲ、Ⅳ类围岩为主。Ⅲ类围岩占洞线总长的45.1%，Ⅳ类围岩占洞线总长的36.0%。其次为Ⅴ类围岩，占洞线总长的17.2%。该隧洞穿越的地域范围广，围岩破碎，地形条件复杂。由于在开挖过程中出现了大量渗水现象，且考虑到节理的存在导致围岩不连续。现采用UDEC离散元数值差分软件对影响渗流量的几个因素进行分析，以期在后续开挖隧洞过程中，根据不同的地质条件采取相应措施，提前做好防范。

2.1 模型建立

模拟隧洞渗流量的影响因素时涉及到多个模型，但各模型差异不大，现以其中之一为例进行介绍。模型取为20 m×20 m，埋深100 m，水位距隧洞中心80 m，单组平行节理，节理倾角45°，节理间距1.5 m。模型上部边界由应力边界条件代替，四周采用边界单元，并施加静水压力。根据工程实际，Ⅳ类围岩隧洞开挖后布置砂浆锚杆。模型如图2所示。

图2 45°倾角平行节理模型

2.2 参数选取

由于隧洞围岩级别较为复杂，现以比例较大且围岩条件较差的Ⅳ类围岩为例选取参数。岩体及节理有关参数如表1所示［7］。

表1 岩体及节理物理力学参数

3 隧洞渗流量影响因素分析

隧洞开挖时，影响洞周渗流的因素较为复杂，本文主要讨论节理倾角、节理间距和洞室埋深对隧洞开挖后渗流量的影响。分析时采用单一变量的原则，即只改变某一个因素，而保持其他因素不变，逐个对其进行分析。在模拟隧洞渗流时，重点关心水在节理岩体中的实时流速和总渗流量，因此需要采用UDEC软件中解决渗流问题的瞬态分析模式。

3.1 节理倾角对隧洞渗流的影响

UDEC软件中只考虑节理渗水，块体不渗水，则从节理与隧洞相交的几个监测点的流量时程图，便可得到各点的渗流流量，对其求和，便可得到洞周总渗流量。取节理倾角为 0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°共 7种情况，其他条件不变，各监测点渗流量、洞周总渗流量随节理倾角的变化趋势如图3所示。

图3 渗流量随节理倾角变化趋势

从图3可以看出，节理倾角对隧洞渗流有较大的影响。当节理倾角在0°到30°之间变化时，各监测点的渗流量和洞周总渗流量受其影响不是很明显。当节理倾角由30°增加到90°时，各监测点的渗流量和洞周总渗流量随节理倾角的增加而增加，受其影响显著。

不同节理倾角时流量最大值点的孔隙水压力在开挖前后变化情况见表2。

表2 不同节理倾角时流量最大值点孔隙水压力105Pa

由表2可以看出，开挖前不同倾角下监测点压力值差别不大，开挖后压力值最终趋于开挖前初始值。而由于隧洞开挖后围岩变形不同，不同节理倾角下孔隙水压力峰值随节理倾角增加而递增，导致孔隙水压力峰值与开挖前孔隙水压力差值也同样递增。这说明在节理间距不变的前提下，开挖前后孔隙水压力差值是决定流量大小的重要因素，差值越大，流量越大。

3.2 节理间距对隧洞渗流的影响

保持节理倾角和洞室埋深不变，而改变节理间距，分析隧洞洞周渗流受节理间距的影响。节理间距取为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m 共 6 种情况。当间距过小时，节理与洞周的交点数量较多，不便将所有监测点的流量值列出，所以此处只列出隧洞洞周总渗流量，其变化趋势见图4。

图4 洞周总渗流量随节理间距变化趋势

从图4可以看出，节理间距对隧洞洞周总渗流量也有一定影响。当节理间距＜1.5 m时，隧洞洞周的总渗流量随节理间距的增加呈近似线性增加。当节理间距超过1.5 m时，隧洞洞周的总渗流量受其影响较小，基本保持不变。

不同节理间距时流量最大值点的孔隙水压力变化情况见表3。

表3 不同节理间距时流量最大值点孔隙水压力105Pa

由表3可以看出，当节理间距＜1.5 m时，孔隙水压力峰值与平衡值的差值随节理间距的增加而增加。当节理间距＞1.5 m时，孔隙水压力峰值与平衡值的差值基本保持不变，这种变化规律与洞周总渗流量的变化趋势较为吻合。

3.3 洞室埋深对隧洞渗流的影响

保持节理倾角和节理间距不变，而改变洞室埋深，分析隧洞洞周渗流受洞室埋深的影响。埋深取为100，150，200，250，300 m 共 5 种情况。各监测点渗流量及洞周总渗流量随洞室埋深的变化趋势见图5。可以看出，洞室埋深对隧洞渗流有较大影响。当洞室埋深较小时，随着埋深不断增加，隧洞开挖后各监测点的渗流量及洞周总渗流量均近似线性增加。当隧洞埋深达到一定值后，随埋深的增大，各监测点的渗流量以及洞周总流量增大的趋势变缓。

图5 渗流量随洞室埋深变化趋势

不同洞室埋深时流量最大值点的孔隙水压力变化情况见表4。

表4 不同洞室埋深时流量最大值点孔隙水压力105Pa

由表4可以看出，随着洞室埋深的不断增加，孔隙水压力峰值与平衡值的差值不断增加，这是造成洞周渗流随埋深不断增加的主要原因。当埋深增加到一定程度时，孔隙水压力会因围岩的变形而消耗掉一部分，所以洞周渗流趋于缓和。但总体上说，埋深递增引起孔隙水压力峰值与平衡值差值递增，从而使洞周渗流量也逐渐递增。

4 结论

1)在单组平行节理条件下，节理倾角、节理间距和洞室埋深对隧洞开挖后的渗流量都有较大影响。

2)当节理倾角较小时，隧洞洞周渗流受节理倾角的影响不是很明显。当节理倾角超过30°时，洞周渗流量随节理倾角的增加而增加。

3)当节理间距较小时，隧洞洞周渗流量随节理间距的增加呈近似线性增加。当节理间距超过1.5 m时，洞周渗流量受其影响较小，基本保持不变。

4)随着洞室埋深的不断增加，隧洞洞周渗流量也增加。当隧洞埋深达到一定值后，洞周渗流量增大的趋势变缓。

5)在不同工况条件下，开挖前后孔隙水压力差值是决定流量大小的重要因素。无论是节理倾角、节理间距还是洞室埋深，都是通过改变开挖前后孔隙水压力差值直接影响隧洞渗流的。

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